Методическая разработка
для проведения лекционного занятия по учебной дисциплине
«Теория горения и взрыва»
(для курсантов и студентов обучающихся по направлению подготовки 280700.62 «Техносферная безопасность» профиль «Безопасность технологических процессов и производств» квалификация (степень) «Бакалавр»)
Тема занятия 3.1 Вынужденное воспламенение (зажигание)
Обсуждено на заседании ПМК "Процессов горения"
«4» июля 2012 г. протокол №11
I. Цели занятия
Ознакомить слушателей (курсантов) с основными закономерностями процессов зажигания газопаровоздушных смесей от внешних источников.
Формирование у обучаемых знаний, умений и навыков, позволяющих проводить различные инженерные расчеты в области пожарной безопасности, установления причин возникновения пожара.
II. Расчет учебного времени
| Содержание и порядок проведения занятия | Время, мин |
| ВВОДНАЯ ЧАСТЬ | |
| ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 80 Учебные вопросы | |
| 1. Основные понятия и механизм зажигания. Элементы тепловой теории зажигания | |
| 2. Основные виды и характеристики источников зажигания | |
| 3. Зажигание электрической искрой | |
| 4. Минимальная энергия зажигания, зависимость ее от различнх факторов, практическое применение | |
| ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ |
IV. Литература
1. ГОСТ 12.1.004-91* Пожарная безопасность. Общие требоания.
2. ГОСТ 12.1.044-89* Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.
3. Теоретические основы процессов горения /Кутуев Р.Х., Малинин В.Р.,
Кожевникова Н.Ю. и др.: Учебник. - СПб.: СПбВПТШ МВД РФ, 1996.
-236с.
4. Решетов А.П., Ловчиков В.А. Теоретические основы процессов горения:Учебно-методическое пособие по решению задач. - СПб: СПбИПБ МВД
России, 1997. - 123 с.
|
|
5. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения
(Справочное издание в двух книгах) / Баратов А.Н., Корольченко А.Я.,
Кравчук Г.Н. и др. - М.: Химия.1990.
6. Демидов П.Г., Саушев B.C. Горение и свойства горючих веществ: Учебное пособие. М.: ВИПТШ МВД СССР, 1984.
7. Абдурагимов И.М. и др. Физико-химические основы развития и тушения пожаров (Учебное пособие) М.: ВИПТШ МВД СССР, 1980.
V. Учебное обеспечение
1. Презентация для мультимедийного проектора
Содержание лекции
| 1. Основные понятия и механизм зажигания. Элементы тепловой теории зажигания | |
| 1.1 Основные понятия и механизм зажигания | |
| 1.2 Элементы тепловой теории зажигания | |
| 1.3 Особенности зажигания паровоздушных смесей нагретой поверхностью | |
| 2. Основные виды и характеристики источников зажигания | |
| 2.1 Классификация внешних энергетических импульсов, приводящих к самовоспламенению и самовозгоранию | |
| 2.2 Классификация внешних источников зажигания | |
| 3. Основные виды и характеристики источников зажигания | |
| 4. Минимальная энергия зажигания, зависимость ее от различных факторов, практическое применение |
Основные понятия и механизм зажигания. Элементы тепловой теории зажигания
Основные понятия и механизм зажигания
З ажигание - это процесс инициирования начального очага горения в горючей смеси.
Выделяют два вида возникновения горения:
1. самовоспламенение (самовозгорание), при котором воспламенение развивается спонтанно внутри горючей смеси;
|
|
2. вынужденное зажигание, при котором воспламенение возникает в горючей газопаровоздушной смеси с помощью некоторого внешнего источника тепловой энергии – источника зажигания.
Первый вид зажигания рассмотрен нами в предыдущих темах. Следует подчеркнуть, что для самовоспламенения, и в ряде случаев для самовозгорания, необходимо внешнее тепловое воздействие, приводящие к началу процессов саморазогрева конденсированных сред или разогрева горючей смеси до температуры самовоспламенения. Таковыми могут быть: прямое тепловое воздействие, адиабатическое сжатие и т.п.
Принципиальным отличием самовоспламенения от вынужденного зажигания является то, что на практике самовоспламенение происходит в замкнутых объемах, при этом смесь разогрета равномерно, т.е. градиент температуры в смеси (до самовоспламенения) стремится к нулю.
В случае вынужденного зажигания, внешний источник тепла нагревает только очень маленькую область горючей смеси, непосредственно прилегающую к его поверхности.
Эти отличия можно рассмотреть на следующем примере. Представим определенный, достаточно большой объем, заполненный горючей смесью.
Будем плавно нагревать стенки сосуда, так чтобы горючая смесь успевала равномерно прогреваться, т.е. градиент температуры стремился к нулю. Рис. 1.
В этом случае, когда температура стенок сосуда, а соответственно и смеси, достигнет температуры самовоспламенения смеси, произойдет самовоспламенение.
Если же, скорость нагрева стенок сосуда будет очень высокой, так, что горючая смесь не будет успевать равномерно прогреваться, а нагреваться будет только малый ее слой у стенок сосуда (рис.2), то в этом случае для ее воспламенения, сосуд необходимо нагреть до более высокой температуры. В этом случае произойдет вынужденное зажигание от нагретой поверхности.
|
|
Таким образом, нагретая поверхность может привести как к самовоспламенению, так и стать источником вынужденного зажигания. В случае, когда горючая смесь находится в открытом пространстве, из-за значительного теплоотвода, возможно только вынужденное зажигание горючей смеси.
| Х |
| T |
| Q |
| Q |
| T1 |
| Tсв |
| Горючая смесь |
| Х |
| Q |
| Q |
| Q |
| Q |
| Q |
| Q |
| б |
| а |
Рис..1. Распределение температуры в горючей смеси при самовоспламенении:
а – при температуре стенок сосуда менее температуры самовоспламенениия;
б – при температуре стенок сосуда равной температуре самовоспламенения;
Т1 –температура смеси ниже температуры самовоспламенения; Тсв – температура самвоспламенения.
| Х |
| T |
| Q |
| Q |
| T1 |
| Tсв |
| Горючая смесь |
| Х |
| Q |
| Q |
| Q |
| Q |
| Q |
| Q |
| TН |
| TЗ |
| бб |
| а |
Рис. 2. Распределение температуры в горючей смеси при зажигании:
а – при температуре стенок сосуда менее температуры зажигания;
б – при температуре стенок сосуда равной температуре зажигания;
ТН – начальная температура смеси; Т1 –температур ниже температуры зажигания; Тсв – температура самвоспламенения; Тз – температура зажигания.
Механизм процесса вынужденного зажигания тепла схож с процессами самовоспламенения и самовозгорания, но имеет существенные отличия.
Процесс зажигания, также имеет свои отличительные особенности в зависимости от агрегатного состояния горючего вещества, что проистекает исходя из механизма самого процесса горения веществ.
В отличие от газов, для достижения пламенного горения жидких и твердых веществ необходим внешний подвод тепла, исключением является вынужденное зажигание легковоспламеняющихся жидкостей, температура воспламенения которых ниже температуры окружающей среды.
Наиболее простым для понимания является зажигания горючих газов или паров жидкостей.
Сущность процесса зажигания от внешнего источника заключается в нагревании высокотемпературным источником только очень маленькой части объема холодной горючей смеси, буквально в одной ее точке. Основная часть смеси при этом остается в холодном состоянии.
Пусть имеется некая система с газовой смесью (рис.3). Температура газа во всем его объеме одинаковая и равна T0, поэтому конвекция, т.е. перемешивание газа, отсутствует. Поместим в эту систему накаленное тело (источник зажигания ИЗ) с бесконечно малой поверхностью и температурой стенки Тст выше температуры газа Т0.
| И.З. ТСТ |
| Горючая смесь (Гор.+Ок.) |
| δ |
|
| q |
| X |
| T0 |
Рис.3 Схема тепловых потоков в системе «газ – источник зажигания»
В этом случае газ начнет нагреваться, и возникнет тепловой поток q от поверхности тела к периферии смеси. Передача теплоты будет осуществляться теплопроводностью. В газовой смеси возникнет температурное поле, градиент которого будет направлен в сторону теплового потока от источника зажигания. Распределение температуры по объему газовой смеси будет зависеть от Тст нагретого тела и от того, какая смесь находится в системе: горючая или негорючая (рис.4).
| Т |
| ТЗ=Т2ст |
| Т1ст |
| ИЗ |
| dT/dX |
| δ |
| q |
| X |
Рис.4. Распределение температуры по объему газовой смеси по мере удаления от источника зажигания (критические условия зажигания горючей смеси):
1- негорючая смесь;
2- горючая смесь.
Графически зависимость распределения температуры по негорючему газу будет представлять собой прямую линию, поскольку из закона Фурье следует, что:
(1)
и для температуры газа T1cт получаем прямую линию (рис.2):
(2)
где q - тепловой поток, Вт/м2;
l - коэффициент теплопроводности, Вт/м2×К;
х - расстояние от поверхности источника зажигания, м.
Если же в системе находится горючая смесь, то характер зависимости изменится за счет выделения теплоты окислительно-восстановительных реакций, что видно на рис.4. (кривые 2).
Как известно, с увеличением температуры смеси скорость реакций окисления увеличивается. Таким образом, с увеличением температуры внесенного источника, количество тепла, выделяющееся в результате окисления, будет расти, и, соответственно, будет оказывать большее влияние на распределение температуры в горючей смеси. Наиболее интенсивно реакции окисления будут протекать в очень узком, приповерхностном слое d горючей смеси. Далее теплота будет отводиться из этого приповерхностного слоя в объем холодной горючей смеси, где интенсивность протекания реакций окислений незначительна и не будет оказывать существенного влияния на распределение температуры, т.е. дальнейшее распределение температуры будет близко к прямолинейной зависимости.
Если несколько увеличить температуру источника тепла до температуры T2, то, естественно, изменится зависимость распределения температуры смеси, при этом:
· в негорючем газе будет увеличиваться только наклон температурной прямой.
· в горючей смеси скорость реакции окисления увеличится, а значит, больше будет и тепловыделение. И может найтись такая температура стенки Т2ст, при которой в приповерхностном слое температура горючей смеси понижаться не будет, и кривая температуры на этом участке пойдет параллельно оси абсцисс. То есть в этом слое установится равенство (баланс) теплоотвода и тепловыделения. Малейшее увеличение температуры выше Т2ст приведет к тому, что скорость реакции в пограничном слое начнет прогрессивно возрастать, как при самовоспламенении. Смесь воспламенится.
Температуру стенки Т2ст называют критической или температурой зажигания Тз. Она аналогична по смыслу, но не равна по величине температуре самовоспламенения горючей смеси.
Температура зажигания - это критическая, минимальная температура источника зажигания, выше которой всегда происходит воспламенение от него горючей смеси.
Как сказано выше, температура зажигания аналогична по смыслу температуре самовоспламенения, механизмы процессов схожи. При изучении температуры самовоспламенения мы говорили о том, что она зависит от множества факторов и условий. Аналогичная ситуация и с температурой зажигания.
Основными факторами, оказывающими влияние на величину температуры зажигания являются:
1. Химическая природа горючего и окислителя. Очевидно, что чем легче окисляется горючее вещество и чем сильнее окислитель, тем ниже температура зажигания;
2. Состав горючей смеси. Как известно, скорость химической реакции максимальна при стехиометрическом соотношении компонентов. Опытным путем установлено, что в случае горения, скорость максимальна при концентрациях горючего в смеси немного выше стехиометрической. График зависимости температуры зажигания от концентрации горючего в смеси выглядит в виде параболы, как представлено на рис. 4.5. Если концентрация горючего в смеси ниже нижнего или выше верхнего концентрационного предела, то такую смесь невозможно зажечь ни при какой температуре ИЗ;
3. Давление окружающей среды. С увеличением давления окружающей среды скорость химической реакции увеличивается, соответственно, температура зажигания уменьшается;
4. Наличие катализаторов и ингибиторов. Катализаторы повышают скорость химической реакции, и соответственно температура зажигания такой смеси уменьшается.
| ТЗ |
| φ% |
| Сстех |
| НКПР |
| ВКПР |
| а |
| б |
Рис. 5 Зависимость температуры зажигания от состава смеси:
а – теоретическая; б – практически выявленная.
Критические условия при вынужденном воспламенении связаны со свойствами источника зажигания и условиями распространения пламени. С того момента, когда температура стенки источника зажигания становится равной критической, источник более не участвует в процессе теплообмена с газом. Здесь определяющими становятся процессы, протекающие в прилегающем к источнику слое газа.
Элементы тепловой теории зажигания
Тепловая теория зажигания, получившая всемирное признание, разработана академиком Я.Б.Зельдовичем и профессором Д.А.Франк-Каменецким. Поместим горючую смесь между двумя параллельными стенками, отстоящими друг от друга на расстоянии L. Пластины расположены горизонтально, причем нагрета только верхняя, что позволяет исключить конвекцию в газовой смеси. Нижняя поверхность имеет температуру газа Т0.
Пусть верхняя пластина нагревается до температуры Тст. Начиная от некоторой температуры Т2ст, линейный характер теплоотвода будет меняться за счет начинающихся процессов окисления (рис.5). При температуре Т2ст наступает баланс тепловыделения и теплоотвода, т.е. на поверхности стенки, где х = 0, градиент температуры (dT/dx) = 0. Значит, и для стенки можно записать (dT/dx)cт = 0. При малейшем увеличении температуры пластины температура газа становится выше Т2ст за счет выделения теплоты реакции окисления, и градиент температуры меняет свой знак. Это означает, что если стенка раньше отдавала теплоту в смесь, то теперь, наоборот, она ее воспринимает от газа.
По теории Я.Б. Зельдовича, условие 
является критическим условием воспламенения, а распределение температуры, т.е. ее градиент в горючей смеси, определяется уравнением теплопроводности, которое для данного случая имеет вид:
(3)
где l - коэффициент теплопроводности смеси;
Qгop - тепловой эффект реакции горения;
W(T) - скорость реакции горения.
Представим это уравнение в виде:
(4)
Имея в виду, что скорость реакции равна:
, (5)
путем математического преобразования экспоненты по методу Франк- Каменецкого и интегрирования уравнения теплопроводности при начальных условиях х = 0, (dT/dx) = 0 и Т = Тcт приходим к выражению:
(6)
| Т0 |
| ТСТ |
| L |
| q |
| a) |
| T2СТ |
| T1СТ |
| T |
| T0 |
| δ |
| L |
| х |
| T |
| T0 |
| δ |
| L |
| х |
| TСТ2 |
| T1СТ |
| б) |
| в) |
Рис. 5. Схема зажигания горючей смеси от нагретого тела по Я.Б. Зельдовичу
Так как скорость W(T) сильно зависит от температуры, то можно считать, что реакция окисления идет практически только в узком слое d, прилегающем к нагретой пластине, т.е. L >> d. Тогда теплоотвод из зоны реакции в смесь можно количественно выразить законом Фурье:
(7)
Далее, подставляя сюда dT/dx из полученного выше выражения (6),приходим к уравнению:
(8)
и после несложных преобразований получаем основное уравнение процесса зажигания:
(9)
Основное уравнение процесса зажигания связывает геометрические размеры горючей смеси с температурой стенки и физико-химическими свойствами горючей смеси при воспламенении. Анализ его позволяет, например, предсказать пределы воспламенения горючих веществ, максимально допустимые, пожаровзрывобезопасные размеры и температуру источников зажигания и т.д. Например, для раскаленного шарика (искры сварки и т.п.) его критический диаметр будет равен
(10)
Для раскаленной проволочки в цилиндрической трубе с горючей смесью
(11)
где R - радиус трубы, м;
r - радиус проволочки, м.
Таким образом, уравнение (9) позволяет рассчитывать основные параметры и условия процесса зажигания от нагретой поверхности.